CN111398619A - 姿态感应式无线转速传感器及其测速方法 - Google Patents

姿态感应式无线转速传感器及其测速方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111398619A
CN111398619A CN202010223027.2A CN202010223027A CN111398619A CN 111398619 A CN111398619 A CN 111398619A CN 202010223027 A CN202010223027 A CN 202010223027A CN 111398619 A CN111398619 A CN 111398619A
Authority
CN
China
Prior art keywords
rotating speed
microcontroller
attitude
sensor
attitude sensing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010223027.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111398619B (zh
Inventor
郝允志
林毓培
周黔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southwest University
Original Assignee
Southwest University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southwest University filed Critical Southwest University
Priority to CN202010223027.2A priority Critical patent/CN111398619B/zh
Publication of CN111398619A publication Critical patent/CN111398619A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111398619B publication Critical patent/CN111398619B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P1/00—Details of instruments
    • G01P1/07—Indicating devices, e.g. for remote indication
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
    • G08C17/00—Arrangements for transmitting signals characterised by the use of a wireless electrical link
    • G08C17/02—Arrangements for transmitting signals characterised by the use of a wireless electrical link using a radio link

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)

Abstract

本发明公开了一种姿态感应式无线转速传感器及其测速方法，包括转速发射模块；转速发射模块固定安装在被测轴上，转速发射模块与转速接收模块无线连接，转速接收模块与速度测试仪器通过通信电缆相连；转速发射模块设置有第一微控制器，第一微控制器连接有姿态感应式转速传感器、第一无线通信模块；转速接收模块设置有第二微控制器、第二微控制器连接有第二无线通信模块以及第二上位机接口芯片；第一微控制器通过姿态感应式转速传感器获取姿态感应信号计算出被测轴的转速数据，无线发送给速度测试仪器。本发明提供了一种姿态感应式无线转速传感器，方便现场安装，并且采用无线方式传送转速信号，解决了布线困难的问题。

Description

姿态感应式无线转速传感器及其测速方法
技术领域
本发明涉及转速测试设备，特别是涉及一种姿态感应式无线转速传感器及其测速方法。
背景技术
在现有技术中，常用的转速测量方式包括磁电式、光电式等，对于安装精度有一定要求，需要根据每个被测对象制作专用的转速传感器支撑架，不便于现场灵活安装和测试。例如，磁电式传感器的探头和测速齿的距离一般为1-3mm。采用这种转速传感器，需要根据每个被测对象制作专用的转速传感器支撑架，调整转速传感器与测速齿之间的距离也耗时耗力，不便于现场安装。比如车辆道路转弯实验中的半轴转速测试，一般采用磁电式转速传感器，但是半轴上没有方便利用的外露测速齿，半轴周围的车架上也没有便于安装固定转速传感器的位置，现场测试比较麻烦。
此外，旋转轴一般是动力设备，设备运行现场的振动噪音大，且有一定的危险性，测试人员一般与被测对象之间保持一定的安全距离，但是转速传感器需要与测试仪器连接，有时会出现布线困难。同样以车辆半轴转速测试为例，半轴位于底盘下面，测试人员和测试仪器位于驾驶室内，转速传感器与测试仪器之间的布线要穿过发动机舱，布线非常不便。
现有转速传感器的缺陷是，不便于现场安装，转速传感器需要与测试仪器之间通过电缆连接，电缆布线困难。
发明内容
有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明的目的是提供一种姿态感应式无线转速传感器及其测速方法，方便现场安装，并且采用无线方式传送转速信号，解决了布线困难的问题。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种姿态感应式无线转速传感器，其关键在于，包括转速发射模块、转速接收模块以及速度测试仪器；所述转速发射模块固定安装在被测轴上，转速发射模块与转速接收模块无线连接，转速接收模块与速度测试仪器通过通信电缆相连；
所述转速发射模块设置有第一微控制器，第一微控制器连接有姿态感应式转速传感器、第一无线通信模块以及第一上位机接口芯片；
所述转速接收模块设置有第二微控制器，第二微控制器连接有第二无线通信模块以及第二上位机接口芯片；
第二无线通信模块与第一无线通信模块无线连接；
第二微控制器经第二上位机接口芯片连接速度测试仪器；
姿态感应式转速传感器用于检测被测轴的姿态感应信号；
第一微控制器获取姿态感应信号计算出被测轴的转速数据，无线发送给第二微控制器；
第二微控制器将转速数据发送给速度测试仪器。
通过上述的结构设置，所述转速发射模块可通过螺钉、扎带、胶带等方式固定安装在被测轴上，方便现场安装；
转速发射模块与转速接收模块无线连接，转速发射模块的姿态感应式转速传感器检测被测轴的姿态感应信号；第一微控制器获取姿态感应信号计算出被测轴的转速数据，无线发送给第二微控制器；第二微控制器将转速数据发送给速度测试仪器，采用无线方式传送转速信号，解决了布线困难的问题。
其中，速度测试仪器为现有成熟的设备，不是本发明的重点；其结构不再介绍。
第一上位机接口芯片用于连接上位计算机，上位计算机还可用于设置转速发射模块的模式以及参数。
所述姿态感应式转速传感器为三轴加速度传感器。
三轴加速度传感器用于检测被测轴的姿态感应信号；发送给第一微控制器。
所述姿态感应式转速传感器为六轴姿态传感器。
六轴姿态传感器用于检测被测轴的姿态感应信号；发送给第一微控制器。
所述转速发射模块设置有外壳，第一微控制器、姿态感应式转速传感器、第一无线通信模块以及第一上位机接口芯片均设置于外壳中，外壳固定在被测轴上。
外壳对第一微控制器、姿态感应式转速传感器、第一无线通信模块以及第一上位机接口芯片起保护作用，外壳也方便转速发射模块的固定，其中，外壳由塑料制成，设置有方便第一上位机接口芯片连接外部引线的开孔。
所述外壳或者通过扎带、或者通过胶带捆绑在被测轴上，或者通过螺钉固定在被测轴上。
通过上述的安装方式，可以很方便的将外壳安装在被测轴上。
所述外壳为环形或矩形，所述转速发射模块的重心位于外壳的中心，该中心设置有螺钉穿过的过孔；外壳通过螺钉固定在被测轴上。
上述安装方式可以提高被测轴的动平衡。这种结构是优先采用的结构，因为对传动轴的动平衡影响小，并且旋转半径小，离心力小，重力分量占比大，所能测量的最高转速高，测量精度高。
所述外壳为长条形；外壳或者通过扎带、或者通过胶带捆绑在被测轴上。
通过将外壳设为长条形并尽可能减小厚度，捆绑在被测轴的轴径较小的地方，可以减少离心力。
一种姿态感应式无线转速传感器的测速方法，其关键在于：
所述第一微控制器内设置有固定频率发射模式流程和/或固定转角发射模式流程；
当第一微控制器内仅设置有固定频率发射模式流程时，采集频率可预先设置在固定频率发射模式流程中，或通过第一上位机接口芯片连接上位计算机获取采集频率；
当第一微控制器内仅设置有固定转角发射模式流程时，每周脉冲数可预先设置在固定转角发射模式流程中，或通过第一上位机接口芯片连接上位计算机获取每周脉冲数；
当第一微控制器内设置有固定频率发射模式流程和固定转角发射模式流程时；第一微控制器连接有模式切换装置切换固定频率发射模式流程和固定转角发射模式流程；比如可以通过第一上位机接口芯片连接上位计算机获取模式测换信号或者通过连接切换开关获取模式测换信号，通过上位计算机可获取采集频率或每周脉冲数；
所述第一微控制器内设置有工作模式设置流程；工作模式设置流程包括如下步骤：
步骤一：第一微控制器通过第一上位机接口芯片连接上位计算机；获取上位计算机的模式设置指令；
步骤二：第一微控制器判断模式设置指令为固定频率发射模式指令时，转步骤三；判断模式设置指令为固定转角发射模式指令时；转步骤四；
步骤三：第一微控制器获取上位计算机的采集频率数据；调用固定频率发射模式流程；
步骤四：第一微控制器获取上位计算机的每周脉冲数；调用固定转角发射模式流程；
其中固定频率发射模式流程包括如下步骤：
步骤A1：第一微控制器获取姿态感应式转速传感器的姿态感应信号，辨识被测轴的倾角和旋转半径；
步骤A2：第一微控制器启动第一无线通信模块；
步骤A3：第一微控制器获取姿态感应式转速传感器的姿态感应信号计算转速数据；
步骤A4：第一微控制器通过第一无线通信模块发送转速数据；
步骤A5：第一微控制器关闭第一无线通信模块；
步骤A6：第一微控制器计时等待下一周期；转步骤A2；
通过上述的固定频率发射模式，第一微控制器每隔一周期定时获取被测轴的转速数据；
其中固定转角发射模式流程包括如下步骤：
步骤B1：第一微控制器获取姿态感应式转速传感器的姿态感应信号，辨识被测轴的倾角和旋转半径；
步骤B2：第一微控制器启动第一无线通信模块；
步骤B3：第一微控制器计算被测轴的目标转角；
步骤B4：第一微控制器获取姿态感应式转速传感器的姿态感应信号计算转速数据和被测轴的当前转角；
步骤B5：第一微控制器判断当前转角是否到达目标转角？如果否，转步骤B4；如果是，转步骤B6；
步骤B6：第一微控制器通过第一无线通信模块发送转速数据；
转步骤B3。
通过上述的固定转角发射模式，第一微控制器判断被测轴到达目标转角时，第一微控制器获取被测轴的转速数据。
所述的姿态感应式无线转速传感器的测速方法，其关键在于：
所述姿态感应式转速传感器为三轴加速度传感器；
在步骤A1和步骤B1中：控制被测轴以N转/分匀速运转，其中N<300，第一微控制器获取姿态感应式转速传感器的姿态感应信号，采用如下步骤计算被测轴的倾角和旋转半径；
步骤A11：采用如下加速度平衡方程式(1)-加速度平衡方程式(3)计算出θ、α、ac；
ax＝gsinθ (1)
ay＝gcosθcosα (2)
az＝-gcosθsinα+ac (3)
其中，ax、ay、az分别是三轴加速度传感器的x轴、y轴、z轴的加速度测量值，θ是被测轴的倾角计算值，α是被测轴的转角，r是三轴加速度传感器的转动半径，g是重力加速度，ac是被测轴的向心加速度；
步骤A12：对被测轴进行差分运算，计算被测轴的角速度ω，
Figure BDA0002426731870000061
步骤A13：计算三轴加速度传感器的转动半径r，
Figure BDA0002426731870000071
重复步骤A11-步骤A13，不断对倾角计算值θ和转动半径r进行滤波，当倾角计算值θ和转动半径r的变化量分别小于设定的误差限值时，将该倾角计算值θ和转动半径r作为被测轴的倾角基准值θref和三轴姿态传感器的转动半径基准值rref。
该倾角基准值θref和三轴姿态传感器的转动半径基准值rref即为步骤A1和步骤B1中所述的被测轴的倾角和旋转半径。
通过上述的方法设置，可以获取被测轴的倾角基准值θref和三轴姿态传感器的转动半径基准值rref。
所述的姿态感应式无线转速传感器的测速方法，其关键在于：
所述步骤A3和步骤B4中，第一微控制器获取姿态感应式转速传感器的姿态感应信号采用如下步骤计算转速数据；
步骤A31：采用如下加速度平衡方程式(4)-加速度平衡方程式(6)计算出θ、α、ω；
ax＝gsinθ (4)
Figure BDA0002426731870000072
az＝-gcosθsinα+rrefω2 (6)
Figure BDA0002426731870000073
为被测轴的角加速度；
步骤A32：将θ和θref进行比较，如果误差超过设定的允许误差范围，则认为故障，第一微控制器连接有故障指示灯，第一微控制器控制故障指示灯闪烁，第一微控制器通过第一无线通信模块发送故障码。
通过上述的方法设置，第一微控制器获取姿态感应式转速传感器的姿态感应信号即可计算转速数据；并能够判断转速发射模块是否出现故障。
显著效果:本发明提供了一种姿态感应式无线转速传感器及其测速方法，方便现场安装，并且采用无线方式传送转速信号，解决了布线困难的问题。
附图说明
图1为本发明的结构图；
图2为本发明的电路模块图；
图3为转速发射模块的第一种结构和安装示意图；
图4为转速发射模块的第二种结构和安装示意图；
图5为转速发射模块的第三种结构和安装示意图；
图6为第一微控制器的电路图；
图7为姿态感应式转速传感器的电路图；
图8为第一上位机接口芯片的电路图；
图9为转速发射模块的充电芯片的电路图；
图10为转速发射模块的电压转换芯片的电路图；
图11为第二微控制器的电路图；
图12为第二上位机接口芯片的电路图；
图13为转速接收模块的电压转换芯片的电路图；
图14为工作模式设置流程的流程图；
图15为固定频率发射模式流程的流程图；
图16为固定转角发射模式流程的流程图；
图17为转速发射模块的第四种结构和安装示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1-图17所示，一种姿态感应式无线转速传感器，包括转速发射模块1、转速接收模块2以及速度测试仪器3；所述转速发射模块1固定安装在被测轴4上，转速发射模块1与转速接收模块2无线连接，转速接收模块2与速度测试仪器3通过通信电缆相连；
所述转速发射模块1设置有第一微控制器11，第一微控制器11连接有姿态感应式转速传感器12、第一无线通信模块13以及第一上位机接口芯片14；
所述转速接收模块2设置有第二微控制器21，第二微控制器21连接有第二无线通信模块22以及第二上位机接口芯片23；
第二无线通信模块22与第一无线通信模块13无线连接；
第二微控制器21经第二上位机接口芯片23连接速度测试仪器3；
姿态感应式转速传感器12用于检测被测轴4的姿态感应信号；
第一微控制器11获取姿态感应信号计算出被测轴4的转速数据，无线发送给第二微控制器21；
第二微控制器21将转速数据发送给速度测试仪器3。
转速发射模块1固定安装在被测轴4上，比如用扎带、胶带等将发射模块捆绑在被测轴上，或者用螺钉将转速发射模块1固定在被测轴4的一端，安装比较简单，无特殊要求，适合现场灵活测试。
转速发射模块1与转速接收模块2无线连接，转速发射模块1的姿态感应式转速传感器12检测被测轴4的姿态感应信号；第一微控制器11获取姿态感应信号计算出被测轴4的转速数据，无线发送给第二微控制器21；第二微控制器21将转速数据发送给速度测试仪器3，采用无线方式传送转速信号，解决了布线困难的问题。
第一上位机接口芯片14用于连接上位计算机，上位计算机还可用于设置转速发射模块1的参数。
本装置的使用方法如下：
1将转速发射模块1经通信线与上位计算机相连，设置工作模式和采集参数，设置完成后断开转速发射模块1和通信线之间的连接；
2将转速发射模块1固定在被测轴4上，将转速接收模块2与速度测试仪器3相连；
3闭合转速发射模块1的电源开关，转速发射模块1开始测试转速，并将转速数据发送给转速接收模块2，转速接收模块2将接收到的转速数据转换为方波信号输出，速度测试仪器3测量方波信号得到转速值，或者转速接收模块2直接将转速和倾角等信息通过通信线上传给速度测试仪器3。
其中速度测试仪器3为上位计算机。
所述姿态感应式转速传感器12为三轴加速度传感器。
三轴加速度传感器用于检测被测轴4的姿态感应信号；发送给第一微控制器11。
所述姿态感应式转速传感器12为六轴姿态传感器。
六轴姿态传感器用于检测被测轴4的姿态感应信号；发送给第一微控制器11。
转速发射模块1的结构；
转速发射模块1的主要元件包括第一微控制器11、姿态感应式转速传感器12、第一无线通信模块13以及第一上位机接口芯片14；姿态感应式转速传感器12为三轴加速度传感器或六轴姿态传感器；还包括电池、充电芯片、电压转换芯片等，电路原理图见附图6-附图10。
元件选型：第一微控制器11型号为STM8S003F3P6，第一无线通信模块13选择NRF24L01P模块，三轴加速度传感器选择MMA8451Q，六轴姿态传感器选择MPU6050，电池选择软包充电锂电池，电池容量180mAh，充电芯片为TP4065，电压转换芯片为XC6206P331，第一上位机接口芯片14为USB接口，USB接口芯片为CP2102。转速发射模块1上的USB接口，用来和上位计算机通信以设置参数，同时也是电池充电接口。
转速接收模块2的结构；
转速接收模块2主要元件包括第二微控制器21、第二无线通信模块22以及第二上位机接口芯片23、电压转换芯片等，电路原理图见图11-图13。
元件选型：第二微控制器21型号为STM8S003F3P6，第二无线通信模块22选择NRF24L01P模块，电压转换芯片为XC6206P331，第二上位机接口芯片23为USB接口，USB接口芯片为CP2102。转速接收模块2上的USB接口用来和上位计算机通信，上传转速数据。
所述转速发射模块1设置有外壳15，第一微控制器11、姿态感应式转速传感器12、第一无线通信模块13以及第一上位机接口芯片14均设置于外壳15中，外壳15固定在被测轴4上。
外壳15对第一微控制器11、姿态感应式转速传感器12、第一无线通信模块13以及第一上位机接口芯片14起保护作用，外壳15也方便转速发射模块1的固定，其中，外壳15由塑料制成，设置有方便第一上位机接口芯片14连接外部引线的开孔。
所述外壳15或者通过扎带151、或者通过胶带捆绑在被测轴4上，或者通过螺钉152固定在被测轴4上。
通过上述的安装方式，可以很方便的将外壳15安装在被测轴4上。
所述外壳15为环形或矩形，所述转速发射模块1的重心位于外壳15的中心，该中心设置有螺钉152穿过的过孔；外壳15通过螺钉152固定在被测轴4上。
上述安装方式可以提高被测轴4的动平衡。这种结构是优先采用的结构，因为对传动轴的动平衡影响小，并且旋转半径小，离心力小，重力分量占比大，所能测量的最高转速高，测量精度高。
所述外壳15为长条形；外壳15或者通过扎带151、或者通过胶带捆绑在被测轴4上。
通过将外壳15设为长条形并尽可能减小厚度，捆绑在被测轴4的轴径较小的地方，可以减少离心力。
一种姿态感应式无线转速传感器的测速方法，其关键在于：
所述第一微控制器11内设置有工作模式设置流程；工作模式设置流程包括如下步骤：
步骤一：第一微控制器11通过第一上位机接口芯片14连接上位计算机；获取上位计算机的模式设置指令；
步骤二：第一微控制器11判断模式设置指令为固定频率发射模式指令时，转步骤三；判断模式设置指令为固定转角发射模式指令时；转步骤四；
步骤三：第一微控制器11获取上位计算机的采集频率数据；调用固定频率发射模式流程；
步骤四：第一微控制器11获取上位计算机的每周脉冲数；调用固定转角发射模式流程；
所述第一微控制器11内设置有固定频率发射模式流程和固定转角发射模式流程；
其中固定频率发射模式流程包括如下步骤：
步骤A1：第一微控制器11获取姿态感应式转速传感器12的姿态感应信号，辨识被测轴4的倾角和旋转半径；
步骤A2：第一微控制器11启动第一无线通信模块13；
步骤A3：第一微控制器11获取姿态感应式转速传感器12的姿态感应信号计算转速数据；
步骤A4：第一微控制器11通过第一无线通信模块13发送转速数据；
步骤A5：第一微控制器11关闭第一无线通信模块13；
步骤A6：第一微控制器11计时等待下一周期；转步骤A2；
通过上述的固定频率发射模式，第一微控制器11每隔一周期定时获取被测轴4的转速数据；
其中固定转角发射模式流程包括如下步骤：
步骤B1：第一微控制器11获取姿态感应式转速传感器12的姿态感应信号，辨识被测轴4的倾角和旋转半径；
步骤B2：第一微控制器11启动第一无线通信模块13；
步骤B3：第一微控制器11计算被测轴4的目标转角；
比如18°、36°、54°……；逐渐递增；
步骤B4：第一微控制器11获取姿态感应式转速传感器12的姿态感应信号计算转速数据和被测轴4的当前转角；
步骤B5：第一微控制器11判断当前转角是否到达目标转角？如果否，转步骤B4；如果是，转步骤B6；
步骤B6：第一微控制器11通过第一无线通信模块13发送转速数据；
转步骤B3。
通过上述的固定转角发射模式，第一微控制器11判断被测轴4到达目标转角时，第一微控制器11获取被测轴4的转速数据。
工作模式及工作流程
测试开始前，先设置转速发射模块1的工作模式，包括固定频率发射模式、固定转角发射模式，如果选择固定频率发射模式，则需要设置采集频率，如果选择固定转角发射模式，则需要设置每周脉冲数，即测速齿轮的齿数。转速接收模块2的工作流程比较简单，通过第二无线通信模块22接收转速数值，通过通信口发送，或者转换为转速脉冲信号输出。下面只讨论转速发射模块1。
1固定频率发射模式
按照设定的频率，确定采集周期，定时采集并发送转速数值，转速接收模块2将采集到的转速数值转换为转速方波信号或通过通信接口发送出去。比如设定频率为100Hz，则发射模块每10ms采集并发送一次转速给转速接收模块2。10ms即为采集周期，这种方式适合于常规的数据采集系统，因为常规的数据采集系统都是按照固定频率采集信号。转速发射模块1的工作流程如图14所示。
2固定转角发射模式
模拟转速传感器脉冲的方式来输出转速信号，即按照固定旋转角度间隔来发射转速数据。比如模拟有20个齿的测速齿轮，则每旋转18°采集并发送一次转速数值，目标转角则依次为18°、36°、54°……。转速接收模块2在接收到转速数据后更新转速脉冲宽度。这种方式是本发明的特有的工作方式，可以直接替换常规的转速传感器，不用更换测试仪器和测试程序。转速发射模块1的工作流程如图15所示。
对于两端支撑固定的旋转轴而言，当转速发射模块1安装固定后，旋转轴的倾角和加速度传感器的旋转半径都是固定不变的，测试前需要对这两个参数进行辨识。参数辨识时，被测轴4要缓慢平稳旋转。
所述的姿态感应式无线转速传感器的测速方法，其关键在于：
所述姿态感应式转速传感器12为三轴加速度传感器；
在步骤A1和步骤B1中：控制被测轴4以N转/分匀速运转，其中N<300，第一微控制器11获取姿态感应式转速传感器12的姿态感应信号，采用如下步骤计算被测轴4的倾角和旋转半径；
步骤A11：采用如下加速度平衡方程式(1)-加速度平衡方程式(3)计算出θ、α、ac；
ax＝gsinθ (1)
ay＝gcosθcosα (2)
az＝-gcosθsinα+ac (3)
其中，ax、ay、az分别是三轴加速度传感器的x轴、y轴、z轴的加速度测量值，θ是被测轴4的倾角计算值，α是被测轴4的转角，r是三轴加速度传感器的转动半径，g是重力加速度，ac是被测轴4的向心加速度；
步骤A12：对被测轴4进行差分运算，计算被测轴4的角速度ω，
Figure BDA0002426731870000151
该公式即为对被测轴4进行差分运算；
步骤A13：计算三轴加速度传感器的转动半径r，
Figure BDA0002426731870000161
重复步骤A11-步骤A13，不断对倾角θ和转动半径r进行滤波，当倾角θ和转动半径r的变化量分别小于设定的误差限值时，倾角θ和转动半径r的数据稳定，将该倾角θ和转动半径r作为被测轴4的倾角基准值θref和三轴姿态传感器的转动半径基准值rref。
该倾角基准值θref和三轴姿态传感器的转动半径基准值rref即为步骤A1和步骤B1中所述的被测轴4的倾角和旋转半径。
通过上述的方法设置，可以获取被测轴4的倾角基准值θref和三轴姿态传感器的转动半径基准值rref。
所述的姿态感应式无线转速传感器的测速方法，其关键在于：
所述步骤A3和步骤B4中，第一微控制器11获取姿态感应式转速传感器12的姿态感应信号采用如下步骤计算转速数据；
步骤A31：采用如下加速度平衡方程式(4)-加速度平衡方程式(6)计算出θ、α、ω；
ax＝gsinθ (4)
Figure BDA0002426731870000162
az＝-gcosθsinα+rrefω2 (6)
Figure BDA0002426731870000163
为角加速度；ω为被测轴4的转速数据，α则为被测轴4的当前转角。
步骤A32：将θ和θref进行比较，如果误差超过设定的允许误差范围，则认为故障，第一微控制器11连接有故障指示灯，第一微控制器11控制故障指示灯闪烁，第一微控制器11通过第一无线通信模块13发送故障码。
通过上述的方法设置，第一微控制器11获取姿态感应式转速传感器12的姿态感应信号即可计算转速数据；并能够判断转速发射模块是否出现故障。
现有技术中，采用加速度传感器计算转速的方法一般只针对水平状态的旋转轴，并且不计算转角，本发明提高转速测量频率。
采用六轴姿态传感器辨识被测轴倾角和旋转半径的步骤：
六轴姿态传感器可以直接输出旋转轴倾角θ、旋转角α、角速度ω，根据公式6即可计算出旋转半径r。参数辨识时，被测轴4要缓慢平稳旋转，在开始测试的最初几圈，不断对倾角θ和旋转半径r进行滤波，直至数据稳定，作为旋转轴的倾斜角基准值θref和六轴姿态传感器的转动半径基准值rref。
采用六轴姿态传感器计算转速和转角的步骤：
六轴姿态传感器可以直接输出旋转轴倾角θ、旋转角α、角速度ω，因此无需计算，但可用于故障判断：
1将θ和θref进行比较，如果误差超过设定的允许误差范围，则认为故障，故障指示灯闪烁，通信口发送故障码。
2将测量值带入公式6，如果等式两端的值超过允许误差范围，则认为故障，故障指示灯闪烁，通信口发送故障码。
工作流程中的等待步骤
1固定频率发射模式
工作流程中的最后一个步骤是计时等待下一周期，这个周期是指两次无线发射转速数值的间隔时间，比如设置的采集频率是100Hz，则间隔时间周期是10ms，因为10ms是整个循环的时间，包括了启动第一无限通信模块13、采集加速度信号并计算转速、发射转速数值、关闭第一无限通信模块13等步骤的时间，因此实际等待时间小于10ms。
2固定转角发射模式
该工作模式下，两次发射数据的间隔是固定的转角，比如模拟有20个齿轮的测速齿，则间隔角度是18°，即目标转角为18°，当角加速度不为零时，发射间隔时间就会变化，所以要循环采集传感器数据并计算转速和转角，一旦到达目标转角，立即发送转速数据。
图17为转速发射模块的第四种结构和安装示意图，为轴端安装方式；
其中轴端安装方式是把转速发射模块1和被测轴4同轴安装固定，尽可能提高与被测轴的同轴度，样就提高了动平衡性。
有益效果
1直接将转速发射模块1与被测轴4固定即可，比如用扎带、胶带等将传感器捆绑在被测轴4上，或者用螺钉将传感器固定在被测轴的一端，没有特殊的安装位置和精度要求，采用无线通信方式将转速数据发送给转速接收模块2，无需布线，安装简单。
2模拟常规转速传感器的输出信号，可以直接替换常规的磁电式转速传感器，灵活设置每转的脉冲数，比如测速齿轮的齿数，通用性强。
3采用三轴加速度传感器时，在测量开始前进行倾角和旋转半径辨识，可以测量被测轴倾斜的场合，无需人工设置旋转半径。一般的根据加速度计算转速的方法，只针对水平状态的旋转轴，并且不计算转角。
4固定频率发射模式下，在发送数据间隔期间关闭第一无线通信模块13，降低功耗，延长电池的使用时间。
5提高了转速测量频率，最高频率取决于加速度传感器的数据采集和计算速度。现有的加速度计算转速的方法，每周只更新两次转速值，即在波峰和波谷时计算转速。
最后，需要注意的是：以上列举的仅是本发明的具体实施例子，当然本领域的技术人员可以对本发明进行改动和变型，倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种姿态感应式无线转速传感器，其特征在于，包括转速发射模块(1)、转速接收模块(2)以及速度测试仪器(3)；所述转速发射模块(1)固定安装在被测轴(4)上，转速发射模块(1)与转速接收模块(2)无线连接，转速接收模块(2)与速度测试仪器(3)通过通信电缆相连；
所述转速发射模块(1)设置有第一微控制器(11)，第一微控制器(11)连接有姿态感应式转速传感器(12)、第一无线通信模块(13)；
所述转速接收模块(2)设置有第二微控制器(21)，第二微控制器(21)连接有第二无线通信模块(22)以及第二上位机接口芯片(23)；
第二无线通信模块(22)与第一无线通信模块(13)无线连接；
第二微控制器(21)经第二上位机接口芯片(23)连接速度测试仪器(3)；
姿态感应式转速传感器(12)用于检测被测轴(4)的姿态感应信号；
第一微控制器(11)获取姿态感应信号计算出被测轴(4)的转速数据，无线发送给第二微控制器(21)；
第二微控制器(21)将转速数据发送给速度测试仪器(3)。
2.根据权利要求1所述的姿态感应式无线转速传感器，其特征在于：所述姿态感应式转速传感器(12)为三轴加速度传感器；第一微控制器(11)还连接有第一上位机接口芯片(14)。
3.根据权利要求1所述的姿态感应式无线转速传感器，其特征在于：所述姿态感应式转速传感器(12)为六轴姿态传感器。
4.根据权利要求2所述的姿态感应式无线转速传感器，其特征在于：所述转速发射模块(1)设置有外壳(15)，第一微控制器(11)、姿态感应式转速传感器(12)、第一无线通信模块(13)以及第一上位机接口芯片(14)均设置于外壳(15)中，外壳(15)固定在被测轴(4)上。
5.根据权利要求4所述的姿态感应式无线转速传感器，其特征在于：所述外壳(15)或者通过扎带(151)、或者通过胶带捆绑在被测轴(4)上，或者通过螺钉(152)固定在被测轴(4)上。
6.根据权利要求5所述的姿态感应式无线转速传感器，其特征在于：所述外壳(15)为环形或矩形，所述转速发射模块(1)的重心位于外壳(15)的中心，该中心设置有螺钉(152)穿过的过孔；外壳(15)通过螺钉(152)固定在被测轴(4)上。
7.根据权利要求5所述的姿态感应式无线转速传感器，其特征在于：所述外壳(15)为长条形；外壳(15)或者通过扎带(151)、或者通过胶带捆绑在被测轴(4)上。
8.根据权利要求1所述的姿态感应式无线转速传感器的测速方法，其特征在于：
所述第一微控制器(11)内设置有固定频率发射模式流程和/或固定转角发射模式流程；
当第一微控制器(11)内设置有固定频率发射模式流程和固定转角发射模式流程时；第一微控制器(11)连接有模式切换装置切换固定频率发射模式流程和固定转角发射模式流程；
其中固定频率发射模式流程包括如下步骤：
步骤A1：第一微控制器(11)获取姿态感应式转速传感器(12)的姿态感应信号，辨识被测轴(4)的倾角和旋转半径；
步骤A2：第一微控制器(11)启动第一无线通信模块(13)；
步骤A3：第一微控制器(11)获取姿态感应式转速传感器(12)的姿态感应信号计算转速数据；
步骤A4：第一微控制器(11)通过第一无线通信模块(13)发送转速数据；
步骤A5：第一微控制器(11)关闭第一无线通信模块(13)；
步骤A6：第一微控制器(11)计时等待下一周期；转步骤A2；
其中固定转角发射模式流程包括如下步骤：
步骤B1：第一微控制器(11)获取姿态感应式转速传感器(12)的姿态感应信号，辨识被测轴(4)的倾角和旋转半径；
步骤B2：第一微控制器(11)启动第一无线通信模块(13)；
步骤B3：第一微控制器(11)计算被测轴(4)的目标转角；
步骤B4：第一微控制器(11)获取姿态感应式转速传感器(12)的姿态感应信号计算转速数据和被测轴(4)的当前转角；
步骤B5：第一微控制器(11)判断当前转角是否到达目标转角？如果否，转步骤B4；如果是，转步骤B6；
步骤B6：第一微控制器(11)通过第一无线通信模块(13)发送转速数据；
转步骤B3。
9.根据权利要求8所述的姿态感应式无线转速传感器的测速方法，其特征在于：
所述姿态感应式转速传感器(12)为三轴加速度传感器；
在步骤A1和步骤B1中：控制被测轴(4)以N转/分匀速运转，其中N<300，第一微控制器(11)获取姿态感应式转速传感器(12)的姿态感应信号，采用如下步骤计算被测轴(4)的倾角和旋转半径；
步骤A11：采用如下加速度平衡方程式(1)-加速度平衡方程式(3)计算出θ、α、ac；
ax＝gsinθ (1)
ay＝gcosθ cosα (2)
az＝-gcosθ sinα+ac (3)
其中，ax、ay、az分别是三轴加速度传感器的x轴、y轴、z轴的加速度测量值，θ是被测轴(4)的倾角计算值，α是被测轴(4)的转角，g是重力加速度，ac是被测轴(4)的向心加速度；
步骤A12：对被测轴(4)进行差分运算，计算被测轴(4)的角速度ω，
Figure FDA0002426731860000041
步骤A13：计算三轴加速度传感器的转动半径r，
Figure FDA0002426731860000042
r是三轴加速度传感器的转动半径；
重复步骤A11-步骤A13，不断对倾角计算值θ和转动半径r进行滤波，当倾角计算值θ和旋转半径r的变化量分别小于设定的误差限值时，将该倾角计算值θ和转动半径r作为被测轴(4)的倾角基准值θref和三轴姿态传感器的转动半径基准值rref。
10.根据权利要求9所述的姿态感应式无线转速传感器的测速方法，其特征在于：
所述步骤A3和步骤B4中，第一微控制器(11)获取姿态感应式转速传感器(12)的姿态感应信号采用如下步骤计算转速数据；
步骤A31：采用如下加速度平衡方程式(4)-加速度平衡方程式(6)计算出θ、α、ω；
ax＝gsinθ (4)
Figure FDA0002426731860000051
az＝-gcosθsinα+rrefω2 (6)
步骤A32：将θ和θref进行比较，如果误差超过设定的允许误差范围，则认为故障，第一微控制器(11)连接有故障指示灯，第一微控制器(11)控制故障指示灯闪烁，第一微控制器(11)通过第一无线通信模块(13)发送故障码。
CN202010223027.2A 2020-03-26 2020-03-26 姿态感应式无线转速传感器及其测速方法 Active CN111398619B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010223027.2A CN111398619B (zh) 2020-03-26 2020-03-26 姿态感应式无线转速传感器及其测速方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010223027.2A CN111398619B (zh) 2020-03-26 2020-03-26 姿态感应式无线转速传感器及其测速方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111398619A true CN111398619A (zh) 2020-07-10
CN111398619B CN111398619B (zh) 2021-06-08

Family

ID=71434628

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010223027.2A Active CN111398619B (zh) 2020-03-26 2020-03-26 姿态感应式无线转速传感器及其测速方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111398619B (zh)

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4038876A (en) * 1976-03-04 1977-08-02 Systron Donner Corporation Acceleration error compensated attitude sensing and control apparatus and method
JPH09210718A (ja) * 1996-02-05 1997-08-15 Yokogawa Denshi Kiki Kk 船舶用慣性航法装置
CN101634659A (zh) * 2008-07-23 2010-01-27 中国科学院自动化研究所 一种基于加速度计的转速或速度测量装置及检测方法
CN103743921A (zh) * 2013-12-31 2014-04-23 杭州士兰微电子股份有限公司 基于惯性传感器的自适应转速测量系统及方法
CN103968848A (zh) * 2014-05-20 2014-08-06 东莞市泰斗微电子科技有限公司 一种基于惯性传感器的导航方法及导航系统
US20160069675A1 (en) * 2014-09-04 2016-03-10 Hitachi Construction Machinery Co., Ltd. Position calculating system and haulage vehicle
US20170089939A1 (en) * 2015-09-30 2017-03-30 Kawasaki Jukogyo Kabushiki Kaisha Ground speed detection device for vehicle
CN208998798U (zh) * 2018-12-18 2019-06-18 安徽皖通高速公路股份有限公司 一种风机故障预警装置及风机
CN209149536U (zh) * 2019-01-07 2019-07-23 怀化学院 监测报警装置和系统
CN110159494A (zh) * 2019-05-07 2019-08-23 固安华电天仁控制设备有限公司 一种用于风电风机转速测量和保护的独立模块
CN110361557A (zh) * 2018-04-11 2019-10-22 成都吉吉戈科技有限公司 一种基于单片机的电机转速检测系统

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4038876A (en) * 1976-03-04 1977-08-02 Systron Donner Corporation Acceleration error compensated attitude sensing and control apparatus and method
JPH09210718A (ja) * 1996-02-05 1997-08-15 Yokogawa Denshi Kiki Kk 船舶用慣性航法装置
CN101634659A (zh) * 2008-07-23 2010-01-27 中国科学院自动化研究所 一种基于加速度计的转速或速度测量装置及检测方法
CN103743921A (zh) * 2013-12-31 2014-04-23 杭州士兰微电子股份有限公司 基于惯性传感器的自适应转速测量系统及方法
CN103968848A (zh) * 2014-05-20 2014-08-06 东莞市泰斗微电子科技有限公司 一种基于惯性传感器的导航方法及导航系统
US20160069675A1 (en) * 2014-09-04 2016-03-10 Hitachi Construction Machinery Co., Ltd. Position calculating system and haulage vehicle
US20170089939A1 (en) * 2015-09-30 2017-03-30 Kawasaki Jukogyo Kabushiki Kaisha Ground speed detection device for vehicle
CN110361557A (zh) * 2018-04-11 2019-10-22 成都吉吉戈科技有限公司 一种基于单片机的电机转速检测系统
CN208998798U (zh) * 2018-12-18 2019-06-18 安徽皖通高速公路股份有限公司 一种风机故障预警装置及风机
CN209149536U (zh) * 2019-01-07 2019-07-23 怀化学院 监测报警装置和系统
CN110159494A (zh) * 2019-05-07 2019-08-23 固安华电天仁控制设备有限公司 一种用于风电风机转速测量和保护的独立模块

Also Published As

Publication number Publication date
CN111398619B (zh) 2021-06-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106483327B (zh) 一种超声波测风系统及方法
TWI534427B (zh) 旋轉扭力測試機
CN203127141U (zh) 多旋翼无人飞行器
CN110631474B (zh) 电机校准系统、方法、装置、控制器及存储介质
CN106526485A (zh) 一种电机性能测试系统
CN106483467B (zh) 一种电动车状态确定方法和装置
CN111398619B (zh) 姿态感应式无线转速传感器及其测速方法
CN111337707B (zh) 高速采集型无线转速测试模块及其测速方法
US5040407A (en) Speedometer/odometer/cruise control tester and related methods
CN111399415B (zh) 等效模拟型无线转速传感器的测速方法
CN110230977B (zh) 旋变设备的动态误差分析装置和方法、控制器及存储介质
CN110780260A (zh) 一种用于对直流充电机的电能误差进行校验的系统及方法
JP5489697B2 (ja) タイヤ用ダイナミックバランス検査装置
CN109000777A (zh) 一种船舶轴系扭转振动测量系统校准装置
CN111044290B (zh) 一种线性马达的检测方法和检测系统
CN109141703A (zh) 一种装车条件下发动机转矩测量的装置及方法
CN110231032B (zh) 一种具有指北功能的天线相位中心测试系统
CN210027981U (zh) 一种带有振动检测功能的无人机电子调速器及多旋翼无人机
CN201289412Y (zh) 一种测量大直径轴功率的装置
US5027640A (en) Speedometer/odometer/cruise control tester and related methods
CN103543741A (zh) 一种电机控制器试验盒
CN116202782A (zh) 一种基于can总线的重型车平顺性检测系统及方法
CN108791968B (zh) 用于确定转动机构的周向磨损位置的装置和方法
CN107764282B (zh) 汽车里程测量装置及方法
CN212780864U (zh) 一种信号采集指示装置和转速指示器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant